Opracowanie metody selekcji przetworników piezoceramicznych INSTYTUT TELE- I RADIOTECHNICZNY Opracowanie metody selekcji przetworników piezoceramicznych oraz metody diagnostyki i monitoringu ultradźwiękowych układów drgających. Praca statutowa ITR 2014 CASTATUT_1_14 Współautorzy: mgr inż. Piotr Kluk, mgr inż. Witold Kardyś, mgr inż. Krystian Król mgr inż. Paweł Kogut, mgr inż. Lucjan Nafalski, mgr inż. Łukasz Krzemiński mgr inż. Roman Woźniak, inż. Bohdan Młynarski, Marek Niemiec, Henryk Gostkowski Warszawa dnia 27 stycznia 2015

Część 1. Opracowanie i weryfikacja metody selekcji przetworników piezoceramicznych, stosowanych do budowy złożonych przetworników ultradźwiękowych typu „Sandwich” b 2/25

Cel pracy Rys.2. Złożone przetworniki dużej mocy typu „Sandwich” Rys.1. Pierścienie piezoceramiczne. Dobór pojedynczych pierścieni piezoceramicznych do budowy przetworników typu Sandwitch 3/25

Zakres pracy: Opracowanie metody, algorytmu i procedury selekcji przetworników piezoceramicznych; Opracowanie metody, algorytmu i procedury diagnostyki i monitoringu właściwości ultradźwiękowych układów drgających; Opracowanie oprogramowania implementującego opracowane procedury w środowisku MATLAB; Badanie i doświadczalna weryfikacja opracowanych metod, algorytmów i procedur w środowisku MATLAB. 4/25

Selekcja z wykorzystaniem modelu BVD 5/25

Konwersja i wstępne przetwarzanie danych; Główna procedura selekcji – implementacja w środowisku MATLAB Procedura ‘piezoselect.m’ Konwersja i wstępne przetwarzanie danych; Na podstawie danych realizowana jest iteracyjnie procedura selekcji par pierścieni piezoceramicznych, następnie czwórek i szóstek w zależności od potrzeb budowy przetworników; Wyniki selekcji zapisywane są do plików tekstowych w postaci tabelarycznej; Każda wyselekcjonowana w ten sposób grupa pierścieni piezoceramicznych zawiera ich identyfikatory nadane im przed procesem pomiaru i selekcji; Dla każdej grupy podana jest wartość względnego współczynnika niedopasowania; Możliwa jest wizualizacja najlepiej dopasowanych charakterystyk. 6/25

Procedury wspomagające ‘extract_id.m’ – procedura odczytu identyfikatora przetwornika piezoceramicznego; ‘extract_raw_data.m’ – procedura odczytu surowych danych pomiarowych modułu impedancji; ‘extract_rlc.m’ – procedura identyfikacja parametryczna modelu BVD; ‘rlc_impedance.m’ – procedura estymacji wartości modułu impedancji na podstawie modelu BVD w zadanych punktach częstotliwości.   7/25

Przykładowe wyniki działania procedur 8/25 Rys. 4. Przykładowe wyniki działania procedur

Charakterystyki przetworników wg modelu BVD Rys.5 . Charakterystyki modułu impedancji partii 30 przetworników piezoceramicznych o częstotliwości znamionowej 74 kHz. 9/25

ID przetworników w grupie Tabelaryczne przedstawienie wyników Selekcja 4-ceramikowa: Grupa ID przetworników w grupie Niedopasowanie Czwórka # 1: 4, 7, 20, 27 0.016547 Czwórka # 2: 15, 17, 19, 28 0.016842 Czwórka # 3: 8, 14, 21, 26 0.023487 Czwórka # 4: 6, 16, 25, 29 0.032577 Czwórka # 5: 10, 11, 13, 30 0.036015 Czwórka # 6: 1, 9, 12, 18 0.043084 Czwórka # 7: 2, 3, 23, 24 0.045634 10/25

Wnioski dotyczące procedur selekcji Opracowane metoda, algorytm oraz procedura pozwalają na automatyczną i szybką selekcję 2-, 4-, a także 6-elementowych grup przetworników piezoceramicznych przeznaczonych do budowy przetworników typu „Sandwich”. Jest to najskuteczniejsza z dotychczas stosowanych metod. Zastosowanie tej metody pozwoliło na polepszenie parametrów eksploatacyjnych przetworników typu „Sandwich” przez co uzyskano wydłużenie czasu użytkowania przetwornika. 11/25

Część 2. Opracowanie metody, algorytmu i procedury diagnostyki i monitoringu właściwości ultradźwiękowych układów drgających 12/25

Metoda diagnostyki i monitoringu Opracowana metoda diagnostyki i monitoringu układu drgającego oparta jest na wykrywaniu zmian w charakterystykach częstotliwościowych modułu impedancji tego układu. Zmiany te wykrywane są na podstawie porównania aktualnie mierzonej charakterystyki modułu impedancji z charakterystyką odniesienia (referencyjną zmierzoną w momencie wyjścia układu drgającego z ITR w pełni realizującego technologię). Głównym problemem do rozwiązania jest zależność charakterystyk układu drgającego od temperatury zwłaszcza przetwornika piezoceramicznego. 13/25

Realizacja   Rys.6. Przetworniki 20 kHz/2kW umieszczone w komorze termostatu PT 200. 14/25

Pomiar charakterystyki modułu impedancji układu w funkcji temperatury Przeprowadzono pomiary impedancji przetworników wzorcowych w funkcji temperatury. Pomiar w zakresie temperatury od 10 do 100 °C, z rozdzielczością 5 stopni; Wymagane było kilkukrotne (przynajmniej 3-krotne) przeprowadzenie pomiaru (cyklu grzania i chłodzenia) w celu zbadania wpływu zjawiska relaksacji na rozrzut wyników pomiarów; Ze względu na dużą pojemność cieplną przetwornika w obudowie metalowej cykl od nastawy kolejnej wartości temperatury do ustalenia się tej temperatury w całej objętości przetwornika wynosił od 6 do 8 godzin; Osiągnięcie równomiernej temperatury wykrywano na podstawie ustabilizowania się zmian w mierzonej charakterystyce modułu impedancji.   15/25

Parametry wyznaczane z charakterystyki modułu impedancji układu w funkcji temperatury Współczynniki sprzężenia elektromechanicznego: k33,kr,keff, k2; Parametry szeregowego obwodu zastępczego BVD: Cos, Rs, Cs, Ls, Qs; Parametry równoległego obwodu zastępczego BVD: Cop, Rp, Cp, Lp, Qp; Dobroć przetwornika Q; Częstotliwość rezonansu szeregowego fs; Moduł impedancji w rezonansie szeregowym Zs; Częstotliwość rezonansu równoległego fp; Moduł impedancji w rezonansie równoległym Zp; Różnice pomiędzy częstotliwością rezonansu równoległego a szeregowego fp-fs.   16/25

Przykładowe charakterystyki 40kHz/750 W   20kHz/2kW-1 20kHz/2kW-2 Rys.7. Zależność rezystancji RS szeregowego obwodu BVD od temperatury dla przetwornika 40 kHz/750 W oraz dwóch przetworników 20 kHz/2 kW. 17/25

Wyniki pomiarów     Zgodnie z założeniami projektu wszystkie zmierzone charakterystyki zależności parametrów przetwornika od temperatury, zamodelowano w środowisku MATLAB. Jako najbardziej odpowiednie do diagnostyki i monitoringu zmian w układzie drgającym wytypowano: Współczynniki sprzężenia elektromagnetycznego keff; Częstotliwość rezonansu szeregowego fs i równoległego fp i różnica tych częstotliwości; Moduł impedancji w rezonansie szeregowym Zs i równoległym; Istotnym problemem okazał się pomiar temperatury przetwornika typu „Sandwich” z powodu drgań mechanicznych o amplitudzie kilku m.   18/25

Praktyczne rozwiązania pomiaru temperatury przetwornika     Termistor   Pirometr Rys.8. Przetwornik ultradźwiękowy z termistorem umieszczonym w rdzeniu śruby przetwornika. Rys. 9 Pirometr z termistorami w obudowie przetwornika 19/25

Podsumowanie       Rys.10. Opracowane moduły do wielopunktowego pomiaru temperatury 20/25

Podsumowanie - część 1   Opracowana metoda, algorytm oraz procedura pozwalają na automatyczną i szybką selekcję 2-, 4-, a także 6-elementowych grup przetworników piezoceramicznych przeznaczonych do budowy przetworników typu „Sandwich”; Opracowany algorytm wykorzystuje opracowaną metodę selekcji, a także identyfikację parametryczną modelu BVD do wstępnej obróbki surowych danych pomiarowych (wygładzanie i zmiana częstotliwości próbkowania). Opracowaną metodę i algorytm selekcji zaprezentowano na konferencji oraz zgłoszono do publikacji; Jest to najskuteczniejsza z dotychczas stosowanych metod; Zastosowanie tej metody pozwoliło na polepszenie parametrów eksploatacyjnych przetworników typu „Sandwich” przez co uzyskano wydłużenie czasu użytkowania przetwornika.     21/25

Podsumowanie - część 2     Opracowano model temperaturowej zależności parametrów przetwornika oraz wielomianowe zależności od temperatury dla kilkunastu parametrów charakteryzujących przetwornik ultradźwiękowy lub kompletny układ drgający. Opracowano przetwornik wzorcowy z czujnikami temperatury. Opracowano model układu do wielopunktowego pomiaru temperatury przetwornika ultradźwiękowego. Opracowano metody, algorytm i procedury diagnostyki i monitoringu. Wszystkie zaplanowane cele zostały osiągnięte.   22/25

Publikacja wyników    Złożono do publikacjiartykuł: P. Kluk*, A. Milewski,"Piezoceramic transducers selection method for high power ultrasonic devices", Acta Physica Polonica; Opracowaną metodę selekcji zaprezentowano na konferencji: „43rd Winter School on Wave and Quantum Acoustics”, Szczyrk, 3-7.03.2014. Na rozwiązanie konstrukcji przetwornika z pomiarem temperatury w rdzeniu śruby zgłoszono wniosek patentowy: P.410034 „Ultradźwiękowy przetwornik elektromechaniczny o konstrukcji kanapkowej”.   23/25

    Dziękuję za uwagę   24/25

Opracowanie metody selekcji przetworników piezoceramicznych INSTYTUT TELE- I RADIOTECHNICZNY Opracowanie metody selekcji przetworników piezoceramicznych oraz metody diagnostyki i monitoringu ultradźwiękowych układów drgających. mgr inż. Lucjan Nafalski, lucjan.nafalski@itr.org.pl (022) 619 01 05 25/25 Warszawa dnia 27 stycznia 2015